張麗芬，廖武林，曾夏生，王秋良

（1．中國地震局地震研究所，武漢 430071；2．中國地震局地球物理研究所，北京 100081；3．湖北中南勘察基礎工程有限公司，武漢 430081）

水庫誘發(fā)地震對混凝土壩的影響及抗震設防

張麗芬1，2，廖武林1，2，曾夏生3，王秋良1

（1．中國地震局地震研究所，武漢 430071；2．中國地震局地球物理研究所，北京 100081；3．湖北中南勘察基礎工程有限公司，武漢 430081）

水庫誘發(fā)地震已成為影響大壩安全的重大環(huán)境問題，會給大壩造成不同程度的危害。以新豐江水庫地震和柯依納水庫地震對大壩的破壞為例，探討水庫地震對混凝土大壩的影響。對于混凝土壩通常壩頂最易遭到破壞，壩頂?shù)倪^壩公路及非結構建筑，增加了破壞的可能性，因此在抗震設計時需要考慮壩頂動力放大效應和壩體高階振型對壩頭應力的影響。利用實測的地震加速度記錄，對大壩進行抗震反應分析，綜合大壩地震應力分析來看，地震作用在壩踵處產生較大的拉應力，而壩趾附近的剪應力也較大。在剛度發(fā)生突變的位置及上下游壩面坡折部等易發(fā)生較大拉應力處，均為壩體的抗震薄弱部位?；谒畮斓卣饘Υ髩蔚挠绊?，做好抗震設防是保障大壩安全的一個重要因素。

水庫誘發(fā)地震；混凝土壩；動力響應分析；抗震設防

1 概 述

大壩是水利建設和能源建設的骨干工程，在國民經濟發(fā)展中占有重要地位［1］。在水庫大壩給社會帶來巨大經濟效益的同時，因蓄水誘發(fā)的水庫地震也給人們帶來了災難，它已成為影響庫、壩區(qū)及周圍地區(qū)公共安全的重要影響因素之一。

水庫誘發(fā)地震是指在庫壩區(qū)存在發(fā)震條件（區(qū)域活動斷裂構造，良好的導水滲水通道，發(fā)育的巖溶系統(tǒng)等）的前提下，因水庫蓄水而誘使壩區(qū)、庫盆或近岸范圍內發(fā)生新的地震或使得原有地震活動性明顯改變（加劇或減弱）的現(xiàn)象。

水庫誘發(fā)地震最早在1931年發(fā)現(xiàn)于希臘的馬拉松（Marathon）水庫，20世紀60年代以來，先后在中國廣東新豐江、贊比亞卡里巴（Kariba）、希臘科列馬斯塔（Kremasta）、印度柯依納（Koyna）等水庫誘發(fā)了6級以上的強烈地震，同時在美國丹佛地區(qū)，發(fā)現(xiàn)了深井注水誘發(fā)地震的現(xiàn)象，使水庫誘發(fā)地震引起了科學界的高度關注。我國迄今已報道的水庫誘發(fā)震例近30例，其中得到公認的有17例，是世界上水庫地震最多的國家之一［2］。從水庫誘發(fā)地震的強度來看，全球發(fā)生6．0級以上強烈地震的僅占3%， 5．9～4．5級中等強度的占27%，發(fā)生4．4～3．0級弱震和3．0級以下微震的占到70%（分別為32%和38%）。在我國這一比例相應為4%、16%和80%。今天人們已經認識到水庫誘發(fā)地震是關系到大壩安全的重大環(huán)境問題，因此在設計大壩時應給予必要的考慮。

2 水庫誘發(fā)地震動特點

發(fā)震震級6級左右，震中烈度達Ⅷ度的水庫地震震例共6例，均造成了較大震害。通過對這些震例的分析，可簡單歸納水庫誘發(fā)地震動特點如下［3］：

（1）地震序列由前震、主震和余震組成，前震多，余震衰減慢（衰減系數(shù)0．9），強余震和主震震級比高達0．87。

（2）頻度 震級關系中的b值，前震為1．12，比余震1．04高，比構造地震0．72要大1．4～1．5倍。

（3）地震卓越周期短（新豐江0．07 s，柯依納0．1 s）。

（4）誘發(fā)地震持續(xù)時間短，一般為同級構造地震的1／3～1／4。水庫誘發(fā)地震垂直峰值與水平峰值加速度之比約為2∶3，構造地震約為1∶2。

（5）大壩與巖基相互作用效應明顯。

水庫誘發(fā)地震因震源較淺，一般不超過10 km，故較大震級的水庫地震可能會對大壩及相關附屬設施造成嚴重破壞。

3 水庫誘發(fā)地震對混凝土壩的破壞

水庫蓄水后可能導致構造應力的提前釋放、庫水壓入溶洞引起塌陷和區(qū)域荷載重新調整導致巖石滑移均可能誘發(fā)地震［4］。誘發(fā)地震對大壩可能構成的危害有：①壩基在振動過程中錯斷、變形甚至失穩(wěn)，岸坡崩坍塌等；②水庫壩前松動體發(fā)生滑動，堵塞底孔，引起巨大涌浪，漫越壩頂，使壩體破壞失事；③地震荷載使壩體折斷、開裂、漏水或失穩(wěn)［5］。

3．1 水庫誘發(fā)地震對新豐江大壩的破壞

新豐江水庫位于廣東省新豐江下游的亞婆山峽谷，庫基由相對破碎的花崗巖組成。水庫于1959年10月蓄水，之后不久，這個以往地震極少的地區(qū)，地震活動開始頻繁發(fā)生。從1960年5月開始，不斷有有感地震發(fā)生。1962年3月19日04時18分，在大壩東北1．1 km處發(fā)生6．1級地震，震源深度5 km，震中烈度Ⅷ度，這次地震成為我國截止目前最大的水庫地震，對新豐江大壩造成了廣泛的影響。

新豐江大壩壩型為混凝土單支墩式大頭壩，壩高105 m，共有19個支墩，支墩間距18 m，左右兩岸由重力壩與壩肩相連。壩頂全長440 m，壩底最大寬度107 m。壩體座落在裂隙風化帶上，斷層及節(jié)理、裂隙較為發(fā)育，對大壩抗震不利。原大壩區(qū)基本烈度為Ⅵ度，可以未考慮抗震設防。1960年7月18日大壩附近發(fā)生4．3級度地震后（烈度為Ⅵ度），政府果斷決策，按Ⅷ度標準對大壩進行緊急加固。1962年3月19日6．1級地震發(fā)生前，加固工作基本完成，所以主震未造成潰壩，但也造成左右岸段發(fā)生裂隙滲水，壩段間接縫止水受損。大壩中部下游的發(fā)電廠局部破損［6］。此外，還造成大壩右側接近頂部108 m高程處產生長82 m的貫穿性水平裂縫。經動力學分析認為［7，8］，主要是壩體結構本身的原因，壩體上下剛度分布不夠均衡，上部剛度相對過小，反映在計算分析中，振型參與系數(shù)較大，使得壩頂最大加速度放大倍數(shù)即動力系數(shù)很大，遂在壩體上部產生了很大的水平慣性力，致使在壩體上部產生了很大的地震拉應力。左側同一高程有斷續(xù)水平裂縫，長13．5 m，出現(xiàn)輕微滲漏現(xiàn)象。

3．2 水庫誘發(fā)地震對Koyna大壩的影響

Koyna大壩位于印度半島地盾上，在1966年修訂的印度地震區(qū)劃圖上表明該區(qū)是無震的。該壩為一長約854 m的重力結構壩，大壩用許多平均寬16 m的鋼筋混凝土石柱建成。1967年Koyna 6．4級水庫地震距大壩僅2．4 km［9］。地震發(fā)生后，盡管大壩未出現(xiàn)潰壩垮塌現(xiàn)象，但給大壩及附屬工程造成了嚴重破壞［10］。在壩頂處，高17m、寬10 m的吊機塔遭受了嚴重破壞。預制水泥鑲板和鋼筋混凝土柱的主構架有許多地方破裂。橫過壩頂上游一側與石柱的封縫之間垂直孔上覆蓋的松動花磚被拋到下游一側。該運動的影響破壞程度從壩端向壩中心前進而增大。26＃和27＃石柱之間的收縮縫頂部變窄而底部變寬。跨度15 m的溢洪道橋遭受大量破壞。其他石柱也出現(xiàn)不同程度的水平和縱向裂縫。大壩下游一側許多石柱上看到了嚴重的漏水現(xiàn)象（圖1）。

圖1 Koyna大壩震害立視圖Fig．1 Elevation view of earthquake damage in Koyna Dam

由此可以看出，對于混凝土壩通常壩頂最易遭到破壞，這是因大壩震動引起加速度放大造成的。壩頂?shù)倪^壩公路及非結構建筑，增加了破壞的可能性［9］。對支墩壩，應加強結構的整體性使支墩有足夠的側向剛度。為此，壩體下游面宜聯(lián)結成整體，各支墩壩段的頭部要有足夠的接觸面；重力壩和支墩壩的上部是抗震薄弱部位，要適當提高這部分混凝土的等級；壩體體形應簡單，避免突度；宜減輕壩體上部重量，盡可能增大剛度；需要考慮壩頂動力放大效應和壩體高階振型對壩頭應力的影響［11］。

4 混凝土壩對水庫誘發(fā)地震的動力響應分析

4．1 混凝土壩的地震動力響應

地震時大壩的反應是一種瞬時性的動力振動現(xiàn)象［7］，目前結構抗震設計規(guī)范所提到的計算結構地震作用效應的方法主要有3種：擬靜力法、反應譜法及時程動力分析法。

擬靜力法是將結構的重力作用、設計地震加速度與重力加速度的比值、給定的動態(tài)分布系數(shù)三者乘積作為設計地震力的靜力分析方法。在傳統(tǒng)應用于大壩抗震設計的擬靜力極限平衡分析方法中，將地震慣性力以一等效的擬靜體積力施加在整個壩體上，采用極限平衡方法計算安全系數(shù)。大壩震害調查表明，擬靜力分析方法并不能準確地評價大壩的抗震安全性［11］。

振型分解反應譜法及底部剪力法都是動力法中的反應譜法，即按標準反應譜、考慮地震時的地面加速度a0（t）所引起的結構自身的加速度動力反應，并以作用在結構上的地震慣性力來表示，把動力問題轉化為靜力問題處理。時程動力分析法是將表示地面加速度的地震波a0（t）直接輸入結構的動力方程，求解結構振動時的位移x（t）。目前結構抗震設計規(guī)范未對時程動力分析法所得結果的處理以及設計標準做詳細規(guī)定。

作為少數(shù)幾個在強震中破壞且有比較完整記錄的重力壩之一，Koyna壩一直是大壩抗震分析中的經典研究對象。壩基尺寸長為103 m，寬70．2 m，6．4級地震發(fā)生時，水庫水位為91．75 m。地震時實測地面最大加速度，壩軸向0．63 g，順河向0．49 g，豎向0．34 g［9］。

考慮動力作用下應變率效應對材料非線性行為的影響，對Koyna混凝土重力壩在豎向地震動作用下的非線性行為進了動力學分析。利用實測的地震加速度時程記錄（圖2），對大壩進行了抗震反應計算，從而得到了重力壩的豎向地震動應力分布規(guī)律。

由圖3（b），（c）可以看出，大壩的豎向動應力在靠近壩體上、下游表面的動應力較大，而在壩身內部動應力較小；上游壩面附近區(qū)域的豎向動應力大于下游面附近區(qū)域的應力。應用彈塑性損傷力學模型計算出的Koyna大壩在6．4級水庫地震波作用下?lián)p傷的發(fā)展情況，大壩的受拉損傷分布云圖（圖3（d））表明，大壩受拉破壞主要集中在629m高程處的下游坡折面、上游表面以及壩踵處，這與應力分析結果基本吻合［12］。而實際地震造成的許多壩體水平裂縫，也主要集中于629 m高程的坡面改變處。裂縫集中在下游壩坡發(fā)生變化的高程，呈水平分布。部分壩段上下游均發(fā)現(xiàn)裂縫，計算與實際發(fā)震情況基本一致。

圖2 Koyna地震時程響應Fig．2 Tim e history response analysis for Koyna Dam

大量的大壩抗震實例分析表明，采用加速度時程分析法得到的結果跟重力壩的模型試驗結果基本吻合，時程分析方法能夠更加真實地反映重力壩的地震響應。本文得到的規(guī)律可以作為該重力壩的抗震分析的依據(jù)，對其它類似重力壩的地震反應分析也有一定的實際意義。

4．2 基于應力分析的大壩震害防治

綜合大壩地震應力分析來看，在剛度發(fā)生突變的位置，如壩基面，以及上下游壩面坡折部等體形易發(fā)生較大拉應力處，均為壩體的抗震薄弱部位［13］。

圖3 Koyna大壩地震豎向正應力及受拉損傷分布Fig．3 Distribution graph of seism ic vertical stress and tensile damage of Koyna Dam

地震動力分析表明，地震作用在壩踵處產生較大的拉應力，而壩趾附近的剪應力也較大?；炷辆哂袑用婵估瓘姸群涂辜魪姸容^低的特點，這使得在地震作用下，壩踵和壩趾處的抗拉和抗剪狀況惡化。因此，為保障壩體安全，在混凝土重力壩壩體底部設置一層常態(tài)混凝土是一種有效的方法。在壩體上游壩面坡折點附近，出現(xiàn)了范圍不大的應力集中。因此，在其附近，靠近上游壩面10～20 m范圍內，采用高膠凝材料，提高層面抗拉強度，對抗震是有利的。

壩體頂部是豎向地震動應力最大值出現(xiàn)的部位，下游壩面坡折處是剪應力最大值出現(xiàn)的部位，即在地震力作用下，壩頂部位的拉應力和剪應力都是較大的，而碾壓混凝土的抗拉和抗剪強度均較低，因此，采用常態(tài)混凝土對壩體抗震是十分有益的［14］。

5 水庫誘發(fā)地震的大壩抗震設防

5．1 建立水庫地震震例數(shù)據(jù)庫，為設計烈度的選定提供資料

隨著水電工程建設的快速發(fā)展，水庫地震的危險性也相應提高，做好抗震設防勢在必行。目前，主要是利用統(tǒng)計回歸方法，建立水庫地震震級 烈度關系，初步選定場地基本烈度。因此，建立相應的震例數(shù)據(jù)庫，歸納整理已發(fā)水庫地震震級與震中烈度的相關資料，探尋有效的水庫地震預測方法，對抗震設防烈度的選定具有重要的現(xiàn)實意義?；诖?，筆者建立了基于ACCESS平臺的水庫震例基礎數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫共收集國內外水庫震例134例，建立元參數(shù)21個。依據(jù)震例信息進行了系統(tǒng)歸類，包括水庫基礎地理信息、水位庫容信息、地質環(huán)境信息（包括庫區(qū)斷裂、構造應力場、水文地質條件、庫區(qū)巖性等）、地震活動信息（水庫蓄水時間、地震三要素、震中烈度、對大壩的影響破壞等）等幾個模塊，實現(xiàn)了資料的數(shù)字化，并建立了相應的屬性及圖形數(shù)據(jù)庫。通過創(chuàng)建表、窗體、查詢，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫的添加、修改、刪除、查詢等功能。在查詢的基礎上，對數(shù)據(jù)庫進行完善，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫的智能統(tǒng)計計算以及繪圖等功能，方便快捷。

5．2 選取合適的反應分析方法，做好抗震設計

水工建筑物抗震設計分析方法，對于構造地震已有規(guī)范可循，程心?。?］對水庫誘發(fā)地震反應分析方法提出了一些建議。針對壩高大于100 m、庫容大于10億m3的高壩大庫，預測震級在5級以上，震中烈度達VII度及以上的，比較適合選用動力分析法。而對于壩高大于70 m、庫容介于1億m3和10億m3之間的水庫大壩，預測震中烈度在VII度以下的，可以用動力分析法或擬靜力分析。而壩高小于70 m、庫容小于1億m3的，預測震中烈度為Ⅶ度或以下者，可用擬靜力法進行分析。

采用擬靜力法分析時，可按抗震規(guī)范取值。采用動力分析法時，最好采用水庫誘發(fā)地震的強震加速度記錄或其反應譜，然后根據(jù)所設計的水庫地震預測震級進行幅值修正，并考慮到記錄資料一般在壩基處獲得，因此，可近似認為已包含了大壩與巖基的相互作用效應。

5．3 加強水庫地震監(jiān)測，確保大壩安全

由于實際地震提供的資料是對大壩抗震性能最好的測試，所以，眾多大壩都已布設了水庫地震監(jiān)測臺網(wǎng)以及設置了適當?shù)膹娬饍x器，以便獲得更多的定量數(shù)據(jù)資料，來驗證抗震安全性能的評價步驟和方法。在前期勘測階段或開始施工階段就應進行地震監(jiān)測臺網(wǎng)建設，積累地震本底資料，以便對比水庫蓄水前后地震活動的變化情況。據(jù)不完全統(tǒng)計，設立了地震臺站的大型水庫工程已經超過40座，設立了比較先進的遙測地震臺網(wǎng)的目前已有11個。大壩地震監(jiān)測是及時獲取實際地震資料進而進行大壩安全評估、采取相應對策的重要基礎。因此，我國現(xiàn)行的水工建筑物抗震設計規(guī)范明確規(guī)定對于大中型工程應進行地震監(jiān)測設計，布置監(jiān)測臺陣。我國很多大中型水庫都布置了地震監(jiān)測臺陣，如三峽、龍羊峽、二灘等。這些地震監(jiān)測設備目前都獲得了有價值的監(jiān)測資料，為大壩的安全運行以及提高今后大壩的抗震設計水平發(fā)揮了重要作用。

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（編輯：曾小漢）

Im pact of Reservoir Induced Seism icity on Concrete Dam s and Earthquake Fortification

ZHANG Li fen1，2，LIAOWu lin1，2，ZENG Xia sheng3，WANG Qiu liang1
（1．Institute of Seismology，CEA，Wuhan 430071，China；2．Institute of Geophysics，CEA，Beijing 100081，China；3．Investigating and Foundation Engineering Co．Ltd in Middle South，Wuhan 430081，China）

Reservoir induced seismicity has been the importantenvironmental problem affecting a dam safety，which can generate some extent damage to a dam．In this paper，taking the Xinfengjiang Reservoir induced seismicity and Koyna Reservoir induced seismicity for examples，we discussed the impacts of reservoir induced seismicity on the concrete dams．It can be seen that，for this kind of dams，the dam crest is the prone to damage position，addition ally，the roads and the non structural constructions on the crest increase the possibility of damage．Therefore，when one does the seismic design，the dynamic interaction and the effects of the higher order vibration modes on the stress of the dam crest should be taken into consideration．On the basis of observed seismic acceleration records，the seismic dynamic response analysiswas done．It shows that the dam heel and toe are the areas of high tensile stress，and it is critical in the stress analysis of concrete dams，and that the stiffnessmutation position and the breakthroughs of slope on the upstream face and downstream face are theweak regions of earthquake resistantbuild ing．In summary，considering the various impacts of reservoir induced seismicity on dams，a good earthquake forti fication is the key factor ensuring the dam safety．

reservoir induced seismicity；concrete dam；dynamic response analysis；earthquake fortification

P315．1

A

1001－5485（2010）05－0071－05

2010 03 02；

2010 03 29

國家自然基金重點基金項目（40730317）；中國地震局地震研究所所長基金（IS200956052）

張麗芬（1981 ），女，山東泰安人，助理研究員，現(xiàn)從事水庫誘發(fā)地震研究工作，（電話）027 87166247（電子信箱）zhanglf112＠163．com。